CN110207819A - 基于新型光纤光谱仪的光谱测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于新型光纤光谱仪的光谱测量装置及方法。本发明包括带有D型结构的光纤、中心波长渐变的倾斜浮雕光栅阵列、线阵CCD和驱动数据处理模块，所述的光纤在D型结构区域上设置有倾斜浮雕光栅阵列，用于将信号光垂直耦合出光纤纤芯；所述的线阵CCD位于倾斜浮雕光栅阵列的上方，用于接收倾斜浮雕光栅阵列耦合出来的光，所述的线阵CCD与所述的驱动数据处理模块信号连接。本发明测量结构紧凑，同时保证较高的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，具体涉及一种基于新型光纤光谱仪的光谱测量装置及方法。
背景技术
光谱仪是光学领域实现光谱测量的重要仪器之一。光纤光谱仪是一种结构较为紧凑的光谱仪，采用光纤作为信号耦合器件，通过光纤将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。光纤光谱仪广泛地应用在珠宝鉴定、LED测量、颜色测量、水质监测等技术领域。
在目前的技术方案中，包括光纤光谱仪在内的几乎所有光谱仪都需要采用一个分光的核心模块——体光栅，并以空间光的形式实现不同波长的光在空间上的分开。在光纤光谱仪中，采用了光纤作为导光介质，减小了光谱仪的尺寸，但是注入的光仍然需要以空间光的形式入射到体光栅上，经过体光栅的光谱分光再聚焦到CCD上，光在空间传播的距离及体光栅对光谱分光的能力有很大影响，因此光纤光谱仪体积的进一步减小会导致光谱分辨率的下降。光纤是一种实现光约束的良好介质，并具有横向结构紧凑的优点，但目前光纤光谱仪仅仅利用光纤的导光功能，无法在光纤基础上实现光谱分光和光谱测量功能。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种基于新型光纤光谱仪的光谱测量装置及方法。
基于新型光纤光谱仪的光谱测量装置，包括带有D型结构的光纤、中心波长渐变的倾斜浮雕光栅阵列、线阵CCD和驱动数据处理模块，所述的光纤在D 型结构区域上设置有倾斜浮雕光栅阵列，用于将信号光垂直耦合出光纤纤芯；所述的线阵CCD位于倾斜浮雕光栅阵列的上方，用于接收倾斜浮雕光栅阵列耦合出来的光，所述的线阵CCD与所述的驱动数据处理模块信号连接。
进一步说，所述的倾斜浮雕光栅为独立的中心波长为λ1至λN的N个独立倾斜浮雕光栅或是波长覆盖λ1至λN的渐变啁啾倾斜浮雕光栅。
基于新型光纤光谱仪的光谱测量方法，包括以下步骤：
步骤(1)选取一定长度的光纤，其中的某段AB区域是D型光纤。
步骤(2)AB区域涂上一层聚合物；从AB区域的A点开始，通过激光刻蚀，刻蚀出设定周期的倾斜浮雕光栅，其谐振波长为λ1,带宽为dλ，使得在光纤中传播的波长为λ1、带宽为dλ的信号光能够被倾斜浮雕光栅垂直耦合出光纤纤芯。
步骤(3)在紧接着步骤(2)激光刻蚀的倾斜浮雕光栅处重复刻写设定周期的倾斜浮雕光栅，其谐振波长为λ2,带宽为dλ，使得在光纤中传播的波长为λ2、带宽为dλ的信号光能够被倾斜浮雕光栅垂直耦合出光纤纤芯；继续上述操作直到刻蚀到第N段倾斜浮雕光栅。
步骤(4)将线阵CCD放在N个倾斜浮雕光栅上方，使其能够接收从倾斜浮雕光栅耦合出来的光；线阵CCD连接一个驱动数据处理模块。
步骤(5)待测光注入光纤后传导到光纤的AB区域，对应波长λ1至λN的不同光被耦合出来入射到线阵CCD的不同位置，线阵CCD将收集到的光从光信号转变成电信号，并将数据发送到驱动数据处理模块，通过数据处理实现对入射光的光谱测量。
进一步说，所述的D型光纤是指其横截面成D型结构，并且纤芯暴露在空气中。
进一步说，被测量的光的光谱范围为波长λ1至λN，光谱测量的分辨率为dλ。
本发明的有益效果：在紧凑的结构前提下，可以获取宽波长测量范围并同时保证高光谱分辨率的新型光纤光谱仪及光谱测量方法。
附图说明
图1是本发明实现一种基于新型光纤光谱仪的光谱测量方法的结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所涉及的装置包括：待测信号光1、AB区为D型结构的光纤2、中心波长从λ1至λN渐变的倾斜浮雕光栅阵列3、线阵CCD 4和驱动数据处理模块5。所述的光纤在D型结构区域上设置有倾斜浮雕光栅阵列，用于将信号光垂直耦合出光纤纤芯；所述的线阵CCD位于倾斜浮雕光栅阵列的上方，用于接收倾斜浮雕光栅阵列耦合出来的光，所述的线阵CCD与所述的驱动数据处理模块信号连接。
利用上述光学结构，实现可测量宽波长同时可获取高分辨率的新型光纤光谱仪测量光谱的方法包括以下步骤：
(1)选取长度为15厘米的光纤，其特定区域(AB区，长10厘米)是D型光纤。所述的D型光纤是指其横截面成D型结构，并且纤芯暴露在空气中。
(2)在光纤的AB区涂上一层聚合物；从光纤的AB区的A点开始，通过激光刻蚀，刻蚀出波长为λ1＝1500nm至λN＝1600nm的100个独立倾斜浮雕光栅组成的阵列倾斜浮雕光栅，其中每个独立的倾斜浮雕光栅的带宽为dλ＝1nm。
(3)将线阵CCD放在倾斜浮雕光栅阵列上方，使其能够接收从倾斜浮雕光栅耦合出来的光；线阵CCD连接一个驱动数据处理模块。
(4)待测光注入光纤后传导到光纤的AB区，对应波长λ1＝1500nm至λN＝1600nm的不同光将被耦合出来入射到线阵CCD的不同位置，线阵CCD将收集到的光从光信号转变成电信号，并将数据发送到驱动数据处理模块，通过数据处理可以实现对入射光的光谱测量。
进一步说，在上述所述的光谱测量方法中，被测量的光的光谱范围为波长λ1至λN，光谱测量的分辨率为dλ。
进一步说，在上述所述的倾斜浮雕光栅可以是独立的中心波长为λ1至λN的 N个独立倾斜浮雕光栅，也可以是波长覆盖λ1至λN的渐变啁啾倾斜浮雕光栅。
综上，在保证测量结构紧凑的前提下，对于为了获得宽波长同时保证较高分辨率，提出的一种办法是在光纤刻上不同波长的倾斜浮雕光栅，通过激光器将信号光耦合进光纤中，信号光在光纤中以波导的形式传播，当经过倾斜浮雕光栅时，不同波长的倾斜浮雕光栅将对应波长的光耦出。并将所述的线阵CCD 置于N段倾斜浮雕光栅的上方，各波长的光照射在对应水平位置的线阵CCD上，再将上述的线阵CCD连接驱动及数据处理模块，通过驱动及数据处理模块将信号光的光谱分布呈现出来。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的范围之中。
Claims (5)
1.基于新型光纤光谱仪的光谱测量装置，包括带有D型结构的光纤、中心波长渐变的倾斜浮雕光栅阵列、线阵CCD和驱动数据处理模块，其特征在于：
所述的光纤在D型结构区域上设置有倾斜浮雕光栅阵列，用于将信号光垂直耦合出光纤纤芯；所述的线阵CCD位于倾斜浮雕光栅阵列的上方，用于接收倾斜浮雕光栅阵列耦合出来的光，所述的线阵CCD与所述的驱动数据处理模块信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于新型光纤光谱仪的光谱测量装置，其特征在于：所述的倾斜浮雕光栅为独立的中心波长为λ1至λN的N个独立倾斜浮雕光栅或是波长覆盖λ1至λN的渐变啁啾倾斜浮雕光栅。
3.基于新型光纤光谱仪的光谱测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)选取一定长度的光纤，其中的某段AB区域是D型光纤；
步骤(2)AB区域涂上一层聚合物；从AB区域的A点开始，通过激光刻蚀，刻蚀出设定周期的倾斜浮雕光栅，其谐振波长为λ1,带宽为dλ，使得在光纤中传播的波长为λ1、带宽为dλ的信号光能够被倾斜浮雕光栅垂直耦合出光纤纤芯；
步骤(3)在紧接着步骤(2)激光刻蚀的倾斜浮雕光栅处重复刻写设定周期的倾斜浮雕光栅，其谐振波长为λ2,带宽为dλ，使得在光纤中传播的波长为λ2、带宽为dλ的信号光能够被倾斜浮雕光栅垂直耦合出光纤纤芯；继续上述操作直到刻蚀到第N段倾斜浮雕光栅；
步骤(4)将线阵CCD放在N个倾斜浮雕光栅上方，使其能够接收从倾斜浮雕光栅耦合出来的光；线阵CCD连接一个驱动数据处理模块；
步骤(5)待测光注入光纤后传导到光纤的AB区域，对应波长λ1至λN的不同光被耦合出来入射到线阵CCD的不同位置，线阵CCD将收集到的光从光信号转变成电信号，并将数据发送到驱动数据处理模块，通过数据处理实现对入射光的光谱测量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的D型光纤是指其横截面成D型结构，并且纤芯暴露在空气中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：被测量的光的光谱范围为波长λ1至λN，光谱测量的分辨率为dλ。
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